Общие свойства плазменных источников электронов. Эмиссия электронов из плазмы и прохождение тока в диодах с плазменным катодом. Электронные источники на основе разрядов с холодным катодом в магнитном поле, страница 53

Относительно малая чувствительность ПИЭЛ к тяжелым вакуумным условиям и ионной бомбардировке обусловливают перспективность их применения в технологических процессах, требующих непрерывные электронные пучки большой мощности (>10 кВт) с относительно небольшой плотностью мощности на объекте нагрева (10²÷10⁴ Вт/см²). К таким процессам относятся электронно-лучевая плавка, нанесение покрытий испарением, отжиг, обезгаживание и т. д.

Наиболее мощными ПИЭЛ непрерывного действия в настоящее время являются дуоплазматроны с накаленным катодом. Конструкция одного из электронных источников показана на рис. 22. Преимущества ПИЭЛ этого типа перед вакуумными пушками с термокатодом рассмотрены в гл. 4. Несмотря на присутствие термокатодов, дуоплазматроны обладают большим сроком службы, чем обычные пушки с такой же мощностью пучка, постольку катод в дуоплазматроне защищен от высокоэнергетичных ионов и паров арматурой разрядной камеры и наполняющим ее газом.

Поскольку при больших мощностях утечки тока пучка на электроды должны быть очень, малыми, чтобы избежать их расплавления, мощные пушки обычно делают двухэлектродными, что затрудняет управление пучком. Серьезным преимуществом дуоплазматронов перед обычными пушками является возможность управления током мощного пучка изменением тока разряда или напряжения маломощного источника питании электромагнита, обеспечивающего магнитное поле в разряде. ПИЭЛ на основе высоковольтного разряда с полым анодом, генерирующие широкие пучки, находят применение для термической обработки металлических лент, спекания лаковых покрытий на листовом металле, спекания металлических порошков, пайки и других целей. В этих же работах описывается применение ПИЭЛ, обеспечивающих сфокусированные пучки, для выращивания кристаллов, нанесения керамических и металлических покрытий, плавки. Созданы технологические ПИЭЛ с полым анодом и одним катодом с мощностью непрерывного лучка до 50 кВт и сообщается о разработке пушки с двадцатью отдельными катодами для получения широкого пучка мощностью 1 МВт. Примером использования ПИЭЛ с высоковольтным тлеющим разрядом для нагрева диэлектриков может служить установка выращивания кристаллов сапфира из гранулированного глинозема (рис. 79). В установке используется основной сферически вогнутый катод 1 и дополнительный конический катод 2. Основной катод снабжен подогревателем, который до зажигания разряда повышает его температуру до 570 К. Благодаря предварительному нагреву катода исключается возникновение дуговых разрядов при включении высокого напряжения и быстрый износ катода. Во время выращивания кристалла подогреватель катода отключается, так как необходимая для предотвращения загрязнений повышенная температура катода обеспечивается излучением из расплава. С помощью дополнительного катода производится электронный нагрев боковой поверхности кристалла для уменьшения в нем термических напряжений. Разряды с основным и дополнительным катодами горят при напряжении 5 кВ и обеспечивают токи 0,5 А каждый. Рабочим газом служит воздух при давлении 0,1 мм рт. ст.

Чтобы осуществить некоторые технологические процессы (размерная обработка, запись информации и т. д.), необходимы остросфокусированные электронные пучки с большой плотностью мощности при относительно малой средней мощности пучка. Возможности ПИЭЛ во многих случаях соответствуют требованиям таких процессов. Трудности фокусировки, обусловленные высокой электронной температурой плазмы, в значительной степени компенсируются большой плотностью тока эмиссии из плазмы. Кроме того, из-за использования специальных плазменных линз или стягивания поля к катоду в высоковольтном тлеющем разряде в ПИЭЛ можно значительно уменьшить дефокусирующее действие отверстия в ускоряющем электроде.